Что такое настоящие числа

Натуральное число

Натуральные числа (естественные числа) — числа, возникающие естественным образом при счёте (как в смысле перечисления, так и в смысле исчисления).

Существуют два подхода к определению натуральных чисел — числа, используемые при:

Отрицательные и нецелые (рациональные, вещественные, …) числа натуральными не являются.

Множество всех натуральных чисел принято обозначать знаком . Множество натуральных чисел является бесконечным, так как для любого натурального числа найдётся большее его натуральное число.

Содержание

Определение

Аксиомы Пеано

Множество будем называть множеством натуральных чисел, если зафиксирован некоторый элемент (единица) и функция (функция следования) так, что выполнены следующие условия

Перечисленные аксиомы отражают наше интуитивное представление о «натуральном ряде».

Поэтому, достаточно зафиксировать в качестве какую-либо одну конкретную модель множества натуральных чисел, например, ту, что описана ниже.

Теоретико-множественное определение (Определение Фреге-Рассела)

Согласно теории множеств, единственным объектом конструирования любых математических систем является множество.

Таким образом, и натуральные числа вводятся, исходя из понятия множества, по двум правилам:

Числа, заданные таким образом, называются ординальными.

Первые несколько ординальных чисел и соответствующие им натуральные числа:

Ноль как натуральное число

Иногда, в иностранной и переводной литературе, в первой и третьей аксиомах Пеано заменяют на . В этом случае ноль считается натуральным числом. При определении через классы равномощных множеств 0 является натуральным числом по определению. Специально отбрасывать его было бы неестественно. Кроме того, это значительно усложнило бы дальнейшее построение и применение теории, так как в большинстве конструкций ноль, как и пустое множество, не является чем-то выделенным. Одним из преимуществ натурального нуля является то, что при этом образует полугруппу с единицей.

В русской литературе обычно ноль исключён из числа натуральных чисел , а множество натуральных чисел с нулём обозначается как . Если в определение натуральных чисел включен ноль, то множество натуральных чисел записывается как , а без нуля как .

В международной математической литературе, с учётом сказанного выше и во избежание неоднозначностей, множество обычно называют множеством положительных целых чисел и обозначают . Множество зачастую называют множеством неотрицательных целых чисел и обозначают .

Операции над натуральными числами

К замкнутым операциям (операциям, не выводящим результат из множества натуральных чисел) над натуральными числами относятся следующие арифметические операции:

Дополнительно рассматривают ещё две операции. С формальной точки зрения они не являются операциями над натуральными числами, так как не определены для всех пар чисел (иногда существуют, иногда нет).

Следует заметить, что именно операции сложения и умножения являются основополагающими. В частности, кольцо целых чисел определяется именно через бинарные операции сложения и умножения.

Теоретико-множественные определения

Воспользуемся определением натуральных чисел как классов эквивалентности конечных множеств. Будем обозначать класс эквивалентности множества A относительно биекций как [A]. Тогда основные арифметические операции определяются следующим образом:

где — дизъюнктное объединение множеств, — прямое произведение, — множество отображений из B в A. Можно показать, что полученные операции на классах введены корректно, то есть не зависят от выбора элементов классов, и совпадают с индуктивными определениями.

Основные свойства

Алгебраическая структура

Сложение превращает множество натуральных чисел в полугруппу с единицей, роль единицы выполняет 0. Умножение также превращает множество натуральных чисел в полугруппу с единицей, при этом единичным элементом является 1. С помощью замыкания относительно операций сложения-вычитания и умножения-деления получаются группы целых чисел и рациональных положительных чисел соответственно.

Источник

Натуральные числа

Определение натурального числа

Натуральные числа — это числа, которые мы используем для подсчета чего-то конкретного, осязаемого.

Вот какие числа называют натуральными: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и т. д.

Натуральный ряд — последовательность всех натуральных чисел, расположенных в порядке возрастания. Первые сто можно посмотреть в таблице.

Какие операции возможны над натуральными числами

Записывайтесь на курсы обучения математике для учеников с 1 по 11 классы!

Десятичная запись натурального числа

В школе мы проходим тему натуральных чисел в 5 классе, но на самом деле многое нам может быть интуитивно понятно и раньше. Проговорим важные правила.

Мы регулярно используем цифры: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. При записи любого натурального числа можно использовать только эти цифры без каких-либо других символов. Записываем цифры одну за другой в строчку слева направо, используем одну высоту.

Примеры правильной записи натуральных чисел: 208, 567, 24, 1 467, 899 112. Эти примеры показывают нам, что последовательность цифр может быть разной и некоторые даже могут повторяться.

077, 0, 004, 0931 — это примеры неправильной записи натуральных чисел, потому что ноль расположен слева. Число не может начинаться с нуля. Это и есть десятичная запись натурального числа.

Количественный смысл натуральных чисел

Натуральные числа несут в себе количественный смысл, то есть выступают в качестве инструмента для нумерации.

Представим, что перед нами банан 🍌. Мы можем записать, что видим 1 банан. При этом натуральное число 1 читается как «один» или «единица».

Но термин «единица» имеет еще одно значение: то, что можно рассмотреть, как единое целое. Элемент множества можно обозначить единицей. Например, любое дерево из множества деревьев — единица, любой листок из множества листков — единица.

Представим, что перед нами 2 банана 🍌🍌. Натуральное число 2 читается как «два». Далее, по аналогии:

Основная функция натурального числа — указать количество предметов.

Если запись числа совпадает с цифрой 0, то его называют «ноль». Напомним, что ноль — не натуральное число, но он может обозначать отсутствие. Ноль предметов значит — ни одного.

Однозначные, двузначные и трехзначные натуральные числа

Однозначное натуральное число — это такое число, в составе которого один знак, одна цифра. Девять однозначных натуральных чисел: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

Двузначные натуральные числа — те, в составе которых два знака, две цифры. Цифры могут повторяться или быть различными. Например: 88, 53, 70.

Если множество предметов состоит из девяти и еще одного, значит, речь идет об 1 десятке («один десяток») предметов. Если один десяток и еще один, значит, перед нами 2 десятка («два десятка») и так далее.

По сути, двузначное число — это набор однозначных чисел, где одно записывается справа, а другое слева. Число слева показывает количество десятков в составе натурального числа, а число справа — количество единиц. Всего двузначных натуральных чисел — 90.

Трехзначные натуральные числа — числа, в составе которых три знака, три цифры. Например: 666, 389, 702.

Одна сотня — это множество, состоящее из десяти десятков. Сотня и еще одна сотня — 2 сотни. Прибавим еще одну сотню — 3 сотни.

Вот как происходит запись трехзначного числа: натуральные числа записываются одно за другим слева направо.

Крайнее правое однозначное число указывает на количество единиц, следующее — на количество десятков, крайнее левое — на количество сотен. Цифра 0 показывает отсутствие единиц или десятков. Поэтому 506 — это 5 сотен, 0 десятков и 6 единиц.

Точно так же определяются четырехзначные, пятизначные, шестизначные и другие натуральные числа.

Многозначные натуральные числа

Многозначные натуральные числа состоят из двух и более знаков.

1 000 — это множество с десятью сотнями, 1 000 000 состоит из тысячи тысяч, а один миллиард — это тысяча миллионов. Тысяча миллионов, только представьте! То есть мы можем рассмотреть любое многозначное натуральное число как набор однозначных натуральных чисел.

Например, 2 873 206 содержит в себе: 6 единиц, 0 десятков, 2 сотни, 3 тысячи, 7 десятков тысяч, 8 сотен тысяч и 2 миллиона.

Сколько всего натуральных чисел?

Однозначных 9, двузначных 90, трехзначных 900 и т.д.

Свойства натуральных чисел

Об особенностях натуральных чисел мы уже знаем. А теперь подробно расскажем про их свойства:

Разряды натурального числа и значение разряда

Напомним, что от позиции, на которой стоит цифра в записи числа, зависит ее значение. Так, например, 1 123 содержит в себе: 3 единицы, 2 десятка, 1 сотню, 1 тысячу. При этом можно сформулировать иначе и сказать, что в заданном числе 1 123 цифра 3 располагается в разряде единиц, 2 в разряде десятков, 1 в разряде сотен и 1 служит значением разряда тысяч.

Разряд — это позиция, место расположения цифры в записи натурального числа.

У каждого разряда есть свое название. Слева всегда располагаются старшие разряды, а справа — младшие. Чтобы быстрее запомнить, можно использовать таблицу.

Количество разрядов всегда соответствует количеству знаков в числе. В этой таблице есть названия всех разрядов для числа, которое состоит из 15 знаков. У следующих разрядов также есть названия, но они используются крайне редко.

Низший (младший) разряд многозначного натурального числа — разряд единиц.

Высший (старший) разряд многозначного натурального числа — разряд, соответствующий крайней левой цифре в заданном числе.

Вы наверняка заметили, что в учебниках часто ставят небольшие пробелы при записи многозначных чисел. Так делают, чтобы натуральные числа было удобно читать. А еще — чтобы визуально разделить разные классы чисел.

Класс — это группа разрядов, которая содержит в себе три разряда: единицы, десятки и сотни.

Десятичная система счисления

Люди в разные времена использовали разные методы записи чисел. И каждая система счисления имеет свои правила и особенности.

Десятичная система счисления — самая распространенная система счисления, в которой для записи чисел используют десять знаков: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

В десятичной системе значение одной и той же цифры зависит от ее позиции в записи числа. Например, число 555 состоит из трех одинаковых цифр. В этом числе первая слева цифра означает пять сотен, вторая — пять десятков, а третья — пять единиц. Так как значение цифры зависит от ее позиции, десятичную систему счисления называют позиционной.

Вопрос для самопроверки

Сколько натуральных чисел можно отметить на координатном луче между точками с координатами:

Источник

Действительные числа

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Определение действительных чисел

Рациональные числа объединяют в себе целые числа и дробные числа. А действительные числа объединяют рациональные и иррациональные числа. Отсюда сформулируем определение действительных чисел:

Рациональное число — это число, которое можно представить в виде положительной или отрицательной обыкновенной дроби или числа ноль. Множество рациональных чисел —

Иррациональное число — это число, которое невозможно выразить в форме деления двух целых чисел, то есть в рациональной дроби m/n. Оно может быть выражено в форме бесконечной непериодической десятичной дроби. Множество иррациональных чисел —

Множество действительных чисел состоит из множества рациональных чисел вместе с множеством иррациональных чисел. Это множество R иначе обозначается как область действительных чисел (-∞; +∞). Можно записать так, что R есть объединение двух множеств: рациональных и иррациональных чисел:

Так как любое рациональное число может быть записано в виде конечной десятичной дроби или бесконечной периодической дроби, а иррациональные числа представляются бесконечными непериодическими десятичными дробями, то определение действительных чисел можно сформулировать по-другому.

Действительные числа — это числа, которые можно записать в виде конечной или бесконечной, периодической или непериодической десятичной дроби. Их иногда называют вещественными.

Примеры действительных чисел:

Число нуль также является действительным числом, так как 0 — рациональное число.

Из определения действительных чисел можно сделать вывод, что существуют как положительные, так и отрицательные действительные числа, а нуль — ни положительное, ни отрицательное действительное число.

При помощи действительных чисел можно описать величины, значения которых могут изменяться непрерывно. Проще говоря, действительные числа дают возможность численно выражать значение непрерывно изменяющейся величины через единичное значение этой величины.

Действительные числа на координатной прямой

Координатная прямая — это прямая, которая изображается с определенной точкой отсчета, которая принимается за 0, единичным отрезком и заданным направлением движения.

Интересный факт: действительные числа заполняют каждую точку координатной прямой.

Каждой точке координатной прямой соответствует единственное действительное число — координата этой точки. При этом каждому действительному числу соответствует единственная точка на координатной прямой. То есть, между действительными числами и точками координатной прямой существует взаимно однозначное соответствие.

Представления действительных чисел

По определению действительными числами являются:

Часто можно встретить действительные числа в виде корней, степеней, логарифмов и др. Кроме того, сумма, разность, произведение и частное действительных чисел также представляют собой действительные числа.

Также из действительных чисел с помощью арифметических знаков, знаков корня, степеней, логарифмических, тригонометрических функций можно составлять числовые выражения, значения которых также будут действительными числами. Например, значения выражений

будут действительные числа.

Сравнение действительных чисел

Любые действительные числа можно сравнивать. Для сравнения действительных чисел есть два способа:

Источник

Действительные числа: определение, примеры, представления

Данная статья посвящена теме «Действительные числа». В статье дается определение действительных чисел, иллюстрируется их положение на координатной прямой, рассматриваются способы задания действительных чисел числовыми выражениями.

Определение действительных чисел

Целые и дробные числа вместе составляют рациональные числа. В свою очередь, рациональные и иррациональные числа составляют действительные числа. Как дать определение, что такое действительные числа?

Данное определение можно записать иначе с учетом следующего:

Нуль также является действительным числом. Согласно определению, существуют как положительные, так и отрицательные действительные числа. Нуль является единственным действительным числом, которое не положительно и не отрицательно.

Координатная прямая и действительные числа

Каждой точке не координатной прямой соответствует определенное и единственное действительное число. Иными словами, действительные числа занимают всю координатную прямую, а между точками кривой и числами присутствует взаимно-однозначное соответствие.

Представления действительных чисел

Под определение дейситвительных чисел попадают:

Также действительные числа часто представляются в виде выражений со степенями, корнями и логарифмами. Сумма, разность произведение и частное действительных чисел также являются действительными числами.

Значение любого выражения, составленного из действительных чисел, также будет являться действительным числом.

Источник

Содержание:

Действительные числа

В основе применения математических методов при решении практических задач лежат вычисления и измерения. При счете используются натуральные числа. При делении целого на части натуральных чисел недостаточно. Поэтому вводятся дробные числа. Длину отрезка можно выразить с помощью рационального числа с любой точностью. В теоретических вычислениях приходится рассматривать отрезки, длины которых не выражаются с помощью рациональных чисел. По этой причине вводится понятие иррационального числа. Изменение значений величины в противоположном направлении удобнее показать отрицательными числами.

Действительные числа

Рациональные и иррациональные числа образуют множество действительных чисел. Любое действительное число можно представить в виде бесконечной десятичной дроби. Для любого действительного числа

Для любых действительных чисел и верно только одно из соотношений: На числовой оси число, соответствующее точке, расположенной правее, больше числа, соответствующего точке, расположенной левее. Между двумя действительными числами существует бесконечное число действительных чисел. Наибольшее целое число, не превосходящее данное число, называется целой частью этого числа.

Абсолютная величина действительного числа показывает расстояние на числовой оси от точки, соответствующей этому числу, до начала отсчета.

Расстояние между двумя точками числовой оси равно абсолютной величине разности их координат и то есть, Обратите внимание на то, что

Действительные (вещественные числа)

Комплексные числа. Однако не успело ещё закрепиться новое расширенное понятие числа, как в процессе развития математики обнаружилось, что и новое понятие является также неудовлетворительным. В частности, решение квадратных уравнений уже на самой ранней ступени развития алгебры привело в области действительных чисел операции извлечения корня из отрицательного числа. Выяснилось, что среди действительных чисел нет ни одного такого, квадрат которого был бы величиной отрицательной, следовательно, и корень

квадратный из отрицательной величины не может быть выражен никаким действительным числом.

Абсолютная величина действительного числа

Абсолютной величиной (или модулем) действительного числа х (обозначается |х|) называется неотрицательное действительное число,
удовлетворяющее условиям:

Свойства абсолютных величин:

1.

2.

3.

4. Пусть — положительное число, тогда неравенства и равносильны.

5. Для любых двух действительных чисел справедливы неравенства

6. Для любых двух действительных чисел справедливы неравенства
7.

8.

9.

Постоянные и переменные величины

Постоянной величиной называется величина, численные значения которой не меняются.

Величина с одним и тем же названием может быть постоянной (скорость равномерного движения) или переменной (скорость равномерно ускоренного движения).

Величины, которые сохраняют своё значение в любом явлении, называются абсолютными постоянными, например число

Переменной величиной называется величина, которая принимает различные числовые значения.

Совокупность всех числовых значений переменной величины называется областью изменения этой величины.

Промежутком или открытым интервалом (а,b) называется совокупность всех чисел х, заключенных между данными числами причем сами эти числа не принадлежат рассматриваемой совокупности чисел

Отрезком или закрытым интервалом называется совокупность всех чисел х, заключенных между данными числами причем оба эти числа принадлежат рассматриваемой совокупности чисел

Естественным образом определяются полуоткрытые интервалы, т.е. промежутки, открытые с одной стороны. Например: или

Определения интервалов можно сформулировать, используя вместо понятия «число» понятие «точка».

Окрестностью данной точки называется произвольный интервал содержащий эту точку внутри себя.

Действительные числа

Число является одной из основных математических абстракций, изучению которой может быть посвящен самостоятельный курс. Из многих концепций построения множества действительных чисел приведем аксиоматическую.

Определение 1.17. Множество R называется множеством вещественных чисел, а его элементы — вещественными (действительными) числами, если выполнен следующий комплекс условий, называемый аксиоматикой вещественных чисел:

1. Аксиомы сложения

(a) x + y = y + x, ∀x, y ∈ (коммутативность сложения);
(b) в существует нейтральный элемент, называемый нулем, обозначаемый 0, такой, что x + 0 = x, ∀x ∈ ;
(c) для любого элемента x ∈ в существует элемент, называемый противоположным к x, обозначаемый (-x), такой, что x + (-x) = 0;
(d) x + (y + z) = (x + y) + z, ∀x, y, z ∈ (ассоциативность сложения).

2. Аксиомы умножения

(a) x ∙ y = y ∙ x, ∀x,y ∈ (коммутативность умножения);
(b) в \ <0>существует нейтральный элемент, называемый единицей, обозначаемый 1, такой, что 1 ∙ x = x, ∀x ∈ ;
(c) для любого элемента x ∈ \ <0>существует в \ <0>обратный элемент, обозначаемый 1/x или x-1, такой, что x ∙ (1/x) = 1;
(d) x ∙ (y ∙ z) = (x ∙ y) ∙ z, ∀x,y,z ∈ (дистрибутивность умножения). Операции сложения и умножения связаны условием:
(e) (x + y) ∙ z = x ∙ z + y ∙ z, ∀x,y., z ∈ (дистрибутивность умножения по отношению к сложению).

Множество, на котором определены обе операции, и которые удовлетворяют группам аксиом 1 и 2, называется алгебраическим полем.

(Часто знак операции умножения в математических выражениях опускают и вместо x ∙ y пишут xy.)

3. Аксиомы порядка

Для любых элементов x, y ∈ определено отношение , то есть либо x y, либо y x. При этом выполняются условия:
(a) x x, ∀x ∈ ;
(b) если x, y ∈ таковы, что x y и y x, то x = y;
(c) если x, y, z ∈ таковы, что x y и y z, то x z (транзитивность);
(d) если x, y, z ∈ и x y, то x + z y + z;
(e) если x,y ∈ и 0 x, 0 6 y, то 0 x ∙ y.

Отношение называют отношением неравенства и читают: «не превосходит» или «меньше или равно». Множество, между элементами которого имеется отношение , удовлетворяющее аксиомам 3, называется упорядоченным. Поэтому множество является упорядоченным алгебраическим полем.

4. Аксиома полноты (непрерывности)

Если X и Y — непустые подмножества множества , обладающие тем свойством, что для любых элементов x ∈ X и y ∈ Y выполняется неравенство x y, то существует такое число c, что

x c y, ∀x ∈ X, ∀y ∈ Y.

Эту аксиому часто называют принципом отделимости.

Можно доказать, что во введенном множестве R имеют место все, известные из школьного курса математики, свойства чисел. Желающие могут получить их самостоятельно или изучить соответствующий раздел в книгах [2] или [6].

Важнейшие подмножества действительных чисел

Определение 1.18. Множество X ⊂ называется множеством натуральных чисел, а его элементы — натуральными числами, если X — наименьшее числовое множество, которое содержит единицу и вместе с каждым элементом x содержит элемент x + 1.

Множество натуральных чисел обозначают через , а его произвольный элемент — через n. Число 1 + 1 ∈ обозначают символом 2 и называют двойкой, число 2 + 1 обозначают символом 3 и называют тройкой и так далее. Можно доказать, что

0 1 2 ∙∙∙ nn + 1 . и = <1, 2. n,n + 1. >.

Прямым следствием определения 1.18 является принцип математической индукции.
Если подмножество E множества натуральных чисел таково, что 1 ∈ E и вместе с числом x ∈ E множеству E принадлежит x + 1, то E = .

Иллюстрируя этот принцип в действии, докажем с его помощью формулу, называемую формулой бинома Ньютона:

(1.1)
В этой формуле a, b — произвольные действительные числа, n — произвольное натуральное число,

Пусть E — множество тех натуральных чисел n, для которых справедлива формула (1.1). При , что соответствует формуле (1.1). Поэтому n = 1 ∈ E.

Но и при k = 1,2,3. n,

Таким образом, n + 1 ∈ E и, следовательно, E = .

Определение 1.19. Множество, состоящее из всех натуральных чисел, им противоположных и нуля называют множеством целых чисел и обозначают символом Z.

Определение 1.20. Множество | m ∈ , n ∈ > называют множеством рациональных чисел и обозначают через . Элемент множества называют рациональным числом.

Можно доказать, что (например, можно доказать, что в не существует числа s такого, что s ∙ s = 2).

Определение 1.21. Действительные числа, которые не являются рациональными, называются иррациональными.

Часто полезна «геометрическая терминология в которой множество называют числовой прямой, его элементы — точками числовой прямой.

Пусть a, b ∈ и a b, то есть a b и a b. Введем следующие обозначения и названия для перечисленных ниже числовых множеств:

[a, b] := | a x y> — отрезок ab (или сегмент ab);
(a, b) := | a x b> — интервал ab;
(a, b] := | a x b> — полуинтервал ab, содержащий b;
[a, b) := | a x b> — полуинтервал ab, содержащий a.

В этих обозначениях часто пишут: = (-∞, +∞).

Действительные числа

Определение действительного числа по Дедекинду

Одним из основных понятий, изучаемых в курсе математического анализа, является понятие действительного числа. Оно возникает в школьном курсе элементарной алгебры фактически на интуитивном уровне как развитие понятия о числе — от натуральных чисел к целым, от целых к рациональным, от рациональных к действительным. В нашу задачу не входит сейчас аккуратное выведение этой цепочки из основных представлений о натуральных числах и их свойствах. Будем считать, что понятие рационального числа и основные свойства рациональных чисел, а также другие вопросы школьного курса элементарной алгебры (в частности, основная символика теории множеств) хорошо известны. Напомним, что множество натуральных чисел обозначается N, множество целых чисел — Z. множество рациональных чисел — Q.

При переходе к действительным числам (множество которых обозначается R) возникает качественно новое понятие непрерывности, присущее именно математическому анализу Поэтому этот шаг будет разобран подробно и аккуратно.

Определение 1.1. Сечением а множества рациональных чисел Q называется такое разбиение Q на два непустых множества , что для всех выполняется неравенство х 2 = 2.

Легко видеть, что в примере 1) в нижнем классе А есть наибольший элемент в верхнем классе А’ нет наименьшего элемента. В примере 2) в A нет наибольшего элемента, в А’ есть наименьший. В примере 3) в A нет наибольшего элемента, в А’ нет наименьшего.

Докажем, например, что в примере 3) в A нет наибольшего элемента (значком □ будем обозначать начало доказательства, значком ■ — конец доказательства).

□ Доказательство от противного. Пусть в А есть наибольший элемент г. Тогда г > 0, г 2 2 2, что заведомо выполняется при т.е. при Для таких n число : это противоречит тому, что г — наибольший элемент в А. Значит, в А нет наибольшего элемента. ■

Докажем теперь, что невозможен случай, когда в А есть наибольший элемент, в А’ есть наименьший.

□ Пусть существуют — соответственно наибольший и наименьший элементы в этих классах. Выберем рациональное число такое, что (например, . Так как , то , так как , то — это невозможно, так как любое рациональное число принадлежит либо А, либо А’.

Итак, существуют сечения трёх типов.

I. В нижнем классе есть наибольший элемент, в верхнем нет наименьшего.

II. В нижнем классе нет наибольшего элемента, в верхнем есть наименьший.

III. В нижнем классе нет наибольшего элемента, в верхнем нет наименьшего.

Определение 1.2. Иррациональным числом называется сечением III типа.

В случаях I и II говорят, что сечение производится рациональным числом (соответствующим наибольшему элементу в нижнем классе или наименьшему в верхнем). Сечения I и II типов отождествляются с соответствующими рациональными числами. Чтобы соответствие было взаимно однозначным, сечения типа I в дальнейшем не рассматриваются.

Например, сечение в примере 1) мы не будем рассматривать. Сечение в примере 2) — это рациональное число 1. Сечение в примере 3) — это иррациональное число (которое естественно объявить корнем квадратным из 2, не придавая пока этому термину строгого смысла).

Определение 1.3. Действительным (вещественным) числом называется любое сечение II или III типов. Множество действительных чисел обозначается R. Сечения II типа отождествляются с соответствующими рациональными числами.

У сечений, соответствующих действительным числам, в нижнем классе нет наибольшего элемента. Если в верхнем классе есть наименьший элемент — сечение является рациональным числом, если нет — иррациональным.

Определение 1.4. Два действительных числа называются равными, если А = В, А’ = В’ (совпадают как множества, достаточно требовать только А = В).

Определение 1.5. Рассмотрим два неравных действительных числа . Говорят, что , если (т.е. ) , если (т.е. ; включения множеств считаются строгими.

Символ > читается «больше», символ М.

Запишем окончательно на языке кванторов, что означает неограниченность множества X сверху:

Наблюдая преобразование (1.1) в (1.2), мы можем сформулировать формальное правило построения отрицаний в позитивном смысле:

1) кванторы меняются друг на друга, т.е. превращается в превращается в ;

2)высказывания, стоящие при кванторах, не меняются;

3)существенные высказывания, не стоящие при кванторах, меняются на противоположные.

Пример 1.2. Множество N натуральных чисел ограничено снизу , но не является ограниченным сверху — принцип Архимеда).

Определение 1.8. Действительное число л называется точной верхней гранью множества , если это число является верхней границей множества X, а никакое меньшее число не является верхней границей X.

На языке кванторов это описывается как конъюнкция (т.е. одновременное выполнение) двух высказываний:

Логический символ («и») означает одновременное выполнение двух высказываний.

Точная верхняя грань обозначается sup («supremum»):

Определение 1.9. Действительное число называется точной нижней гранью множества , если это число является нижней границей множества X, а никакое большее число не является нижней границей X.

На языке кванторов записывается конъюнкция двух высказываний:

Точная нижняя грань обозначается inf («infimum»):

Из определений следует, что sup X — это наименьшая из верхних границ множества X, a inf X — это наибольшая из нижних границ. Пока ниоткуда не следует, что эти наименьшая из верхних и наибольшая из нижних границ существуют. Дело в том, что ограниченное сверху множество может иметь наибольший элемент, а может и не иметь; ограниченное снизу множество может иметь наименьший элемент, а может и не иметь.

Лемма 1.2. Если множество имеет наибольший элемент а, то а = sup X. Если множество имеет наименьший элемент , то

□ Доказательство приведём для наибольшего элемента, вторая часть доказывается аналогично.

Так как а — наибольший элемент X, то для всех выполнено неравенство . С другой стороны, какое бы число мы ни взяли, число л является элементом множества, и ; значит, для любого найдётся элемент X, больший а’. Доказано, что а = supX. ■

Но может быть и так, что во множестве нет наибольшего (наименьшего) элемента, а точная верхняя (нижняя) грань существует. В этом случае говорят, что точная верхняя (нижняя) грань не достигается.

Пример 1.3. Пусть —множество всех чисел вида . Очевидно, наибольшим элементом множества является число 1; по лемме 1.2 supX = 1 (точная верхняя грань множества достигается).

С другой стороны, ясно, что при всех выполняется неравенство ; множество ограничено снизу, но наименьшего элемента в нём нет. Докажем, что inf X = 0 (таким образом, точная нижняя грань не достигается).

□ В самом деле, для всех выполняется неравенство Но какое бы число мы ни взяли, найдутся рациональное число г такое, что (теорема 1.2), и натуральное число п такое, что т.е. (свойства неравенств между рациональными числами мы считаем известными). Поэтому . Итак, для любого найдётся число такое, что . Доказано, что inf X = 0. ■

Теорема 1.5 (о точной верхней (нижней) грани). Для любого непустого множества действительных чисел, ограниченного сверху, существует и единственна точная верхняя грань. Для любого непустого множества действительных чисел, ограниченного снизу, существует и единственна точная нижняя грань.

□ Доказательство проведём для точной верхней грани, вторая часть доказывается аналогично (отметим, что пустое множество формально является ограниченным сверху и снизу, но говорить о точных верхней и нижней гранях бессмысленно).

Пусть сначала ограниченное сверху множество имеет наибольший элемент. Тогда по лемме 1.2 этот элемент является точной верхней гранью.

Пусть теперь в X нет наибольшего элемента. Проведём сечение во множестве К так, что А’ — это все верхние границы X (они существуют в силу ограниченности X сверху), а — все остальные числа. Ясно, что , для любых выполняется неравенство (ясно, что , но если , то число х больше некоторой верхней границы, значит, х — тоже верхняя граница, а это не так). При этом (если какой-то элемент X является верхней границей, то он наибольший в X, а мы рассматриваем случай, когда наибольшего элемента нет).

По теореме Дедекинда существует действительное число a либо наибольшее в , либо наименьшее в . Но если a — наибольшее число в , то, так как — верхняя граница для X, т.е. — противоречие. Значит, a — наименьшее число в (наименьшая из верхних границ). Итак, а — верхняя граница X, а никакое меньшее число верхней границей не является, т.е. a = supX.

Докажем теперь, что точная верхняя грань единственна. Пусть a = supX и = supX. a 0, a inf X = 0.

Определение 1.10. Если множество неограничено сверху, то по определению supX = . Если множество неограничено снизу, то по определению inf X = .

Представление действительных чисел бесконечными десятичными дробями

Пусть действительное число а не является целым числом или конечной десятичной дробью. Рассмотрим соответствующее сечение во множестве рациональных чисел (в нижнем классе А нет наибольшего элемента).

Обозначим через со наибольшее целое число в А. Тогда — наименьшее целое число в А’. Так как а не целое, то . Разобьём отрезок на 10 отрезков равной длины и выберем из них тот, который содержит число

(a не совпадает с концом отрезка, так как не является конечной десятичной дробью).

Снова разбиваем полученный отрезок на 10 отрезков равной длины 0,01 и т.д., на n-м шагу получим

Естественно, что если с_n = 9, то при переходе к правому концу отрезка предыдущую цифру нужно увеличить на 1, а вместо с_n + 1 написать 0. Если , то при переходе к правому концу отрезка нужно увеличить на 1, и вместо написать нули.

Так как а не является конечной десятичной дробью, то процесс никогда не оборвётся, и мы получим бесконечную последовательность цифр Бесконечную десятичную дробь можно считать представлением действительного числа а.

Например, для числа :

Описанная выше конструкция даст следующие интервалы:

Левый конец соответствующего интервала длины обычно называют десятичным приближением n-го порядка числа a с недостатком, правый конец — десятичным приближением n-го порядка числа а с избытком; применяются обозначения соответственно . Например:

Бесконечная десятичная дробь является представлением числа .

Интересно отмстить, что в такой конструкции для числа и т.д. Поэтому = и т.д.;

Представлением числа является бесконечная десятичная дробь

Легко видеть, что для любого

причем

Особое значение имеет случай, когда а — конечная десятичная дробь с n знаками после запятой:

или целое число:

Случай целого a можно рассматривать как частный случай конечной десятичной дроби при n = 0.

В описанной выше конструкции после n-го шага процесс оборвётся. Число ft будет являться общим концом двух отрезков длины Если a рассматривается как левый коней, правого из двух возникших отрезков, то получим уже привычную десятичную дробь:

(для иллюстрации общности процесса мы дополнили её бесконечной последовательностью нулей). Если же a рассматривать как правый конец левого из двух возникших отрезков, то а представляется как бесконечная дробь, в которой начиная с (n + 1)-го места после запятой идут девятки:

Таким образом, конечная десятичная дробь имеет два десятичных представления (с нулями, начиная с некоторого места, и с девятками, начиная с некоторого места). Например:

В любом случае при

причём

Докажем теперь очень важную лемму, которая неоднократно будет использоваться в дальнейшем в теории действительных чисел.

Лемма 1.4. Пусть a —действительное число. Тогда для любого рационального положительного числа s найдутся paциональные числа такие, что

Иными словами, любое действительное число может быть зажато между двумя сколь угодно близкими рациональными числами.

□ Если a — рациональное число, то возьмём Ясно, что Если а — иррациональное число, то, во всяком случае, л не является конечной десятичной дробью, и

Поэтому можно взять (неравенство при любом натуральном n легко доказывается, например, по индукции). По принципу Архимеда для любого положительного рационального числа найдётся натуральное число значит,

Мы видели, что любое действительное число представляется бесконечной десятичной дробью. Это представление единственно, если действительное число не является целым или конечной десятичной дробью, в противном случае таких представлений два. Докажем обратное утверждение.

Теорема 1.6. Любая бесконечная десятичная дробь является представлением некоторого действительного числа, причем это число определяется единственным образом.

□ Пусть — бесконечная десятичная дробь . Рассмотрим при , рациональные числа и — приближения для данной дроби с недостатком и с избытком соответственно. Ясно, что для всех выполняется неравенство , поэтому

Пусть теперь Тогда

Применяя формулу суммы членов геометрической прогрессии, получим

поэтому . Итак, при любых натуральных значениях m и n выполняется неравенство .

Рассмотрим множества рациональных чисел

При фиксированном выполняется неравенство для любого натурального n, поэтому множество А ограничено сверху, и по лемме 1.3 его точная верхняя грань

Аналогично, при фиксированном выполняется неравенство для любого натурального n, поэтому множество В ограничено снизу, и по лемме 1.3 его точная нижняя грань

Из леммы 1.3 и последнего неравенства, верного при всех , следует, что . Итак, при всех имеют место неравенства и при ( — произвольное положительное рациональное число). По лемме 1.1 а = . Так как при , то данная бесконечная десятичная дробь является представлением числа а.

Единственность искомого действительного числа следует из леммы 1.1. В самом деле, если два числа являются представлениями одной и той же бесконечной десятичной дроби, то из неравенств (где — произвольное положительное рациональное число) следует, что

Арифметические операции с действительными числами

Нам предстоит определить для действительных чисел арифметические операции (сложение, вычитание, умножение, деление) так, чтобы сохранялись привычные свойства этих операций, а для рациональных чисел результаты операций не отличались от обычных.

Пусть — два действительных числа. Будем рассматривать всевозможные рациональные числа удовлетворяющие неравенствам

Определение 1.11. Суммой действительных чисел называется действительное число такое, что для любых рациональных чисел удовлетворяющих неравенствам (1.5), выполняется неравенство

Докажем корректность этого определения. Иными словами, докажем, что такое действительное число существует, определено единственным образом, а в случае рациональных построенное таким образом число совпадает с суммой рациональных чисел .

□ I) Существование. Рассмотрим множество всевозможных сумм <а + b>в условиях (1.5). Оно ограничено сверху некоторой суммой Рассмотрим число в условиях (1.5).

Тогда при выполнении условий (1.5) . Но так как при фиксированных в условиях (1.5) выполняется неравенство для любых a, b в условиях (1.5), то по лемме 1.3, . Итак, в условиях (1.5) . Исключим равенства. Пусть найдутся a, b такие, что . Но по теореме 1.2 найдутся рациональные числа такие, что . Значит, , что противоречит определению как sup в условиях (1.5). Значит, . Аналогично показывается, что Построенное число удовлетворяет условиям (1.6).

II) Единственность. По лемме 1.4 для любого положительного рационального числа найдутся рациональные числа в условиях (1.5) такие, что . Тогда

и эта разность может быть сделана сколь угодно малой. По лемме 1.1 существует единственное действительное число 7, удовлетворяющее условиям (1.6).

III) Преемственность. Если — оба рациональные числа, то их обычная рациональная сумма удовлетворяет определению 1.11, и в силу единственности другой суммы быть не может. ■

Теперь нужно показать, что привычные свойства операции сложения сохраняются для определённого таким образом сложения действительных чисел. Ввиду большого количества этих свойств будут проведены доказательства лишь некоторых из них; доказать остальные читатели смогут самостоятельно (наиболее существенные моменты будут показаны в доказательствах, приведённых здесь).

Свойства сложения действительных чисел

1) (коммутативность).

□ Рассмотрим рациональные числа удовлетворяющие условиям (1.5). Тогда для чисел (пока мы не знаем, что они равны)

Так как сложение рациональных чисел коммутативно, то а, поэтому действительные числа заключены в одних и тех же границах, разность между которыми может быть сделана сколь угодно малой (аналогично II в доказательстве корректности определения 1.11). По лемме 1.1

2) (ассоциативность).

3)

4)Для любого действительного числа а найдётся число , называемое противоположным числом и обозначаемое такое, что

□ Если а — рациональное число, то , где (-а) — соответствующее рациональное число. Пусть теперь — иррациональное число. Рассмотрим число такое, что — множество всех элементов со знаком минус, — множество всех элементов А со знаком минус. Очевидно, что это сечение, где в нет наибольшего, а в нет наименьшего элемента, т.е. — иррациональное число. Рассмотрим всевозможные рациональные числа такие, что , тогда . По определению суммы действительных чисел число удовлетворяет неравенствам По лемме 1.4 разность а’ — а может быть сделана меньше где — произвольное положительное рациональное число. Тогда разность , и по лемме 1.1 ■

5)Если — два противоположных числа для действительного числа а, то

□ С одной стороны, с другой стороны, Значит, ■

6)Если , то для любого

□ По лемме 1.2 найдутся рациональные числа такие, что По лемме 1.4 найдутся рациональные числа с и с’ такие, что . Отсюда получим

(свойство сложения рациональных чисел);

(определение суммы действительных чисел).

Значит, ■

7)Если , то

□ Двукратное применение предыдущего свойства. ■

8)Если , то

, если если

Сохраняются все свойства степеней с целым показателем (доказательства ничем не отличаются от доказательств в школьном курсе алгебры).

Обратим теперь внимание на то, что в лемме 1.1 действительное число зажималось между рациональными потому, что у нас ещё не было понятия разности действительных чисел. Приведём теперь более общий вариант этого утверждения.

Лемма 1.5. Пусть —действительные числа. Если для любого положительного действительного числа £ найдутся действительные числа такие, что , то

□ Пусть — произвольное рациональное число; — такие действительные числа, что (они существуют по условию леммы при )

По лемме 1.4 найдутся рациональные числа такие, что

Тогда (см. рис. 1.3):

Итак, для любого рационального положительного числа 6 найдутся рациональные числа такие, что

По лемме 1.1

Счётные и несчётные множества

Определение 1.16. Два множества А и В называются эквивалентными (равномощными), если между А и В можно установить взаимно однозначное (биективное) соответствие.

Здесь мы фактически имеем дело с переводом русскоязычного термина на латинский язык (равномощный — эквивалентный, взаимно однозначное — биективное и т.д.). В принципе вполне можно было бы ограничиться русскоязычными терминами, но, поскольку их переводы очень распространены в отечественной научной и учебной литературе, их игнорировать нельзя.

Пример 1.4. Множество натуральных чисел эквивалентно множеству чётных натуральных чисел (взаимно однозначное соответствие устанавливается зависимостью ), хотя одно из этих множеств является подмножеством другого.

Определение 1.17. Множество называется счётным, если оно эквивалентно множеству натуральных чисел (т.е. если его элементы можно занумеровать в виде бесконечной последовательности).

Лемма 1.6. Любое бесконечное множество содержит счётное подмножество.

□ Выберем некоторый элемент х₁, принадлежащий данному бесконечному множеству А. Так как множество бесконечно, то можно выбрать элемент х₂ среди оставшихся элементов, х₃ среди оставшихся и т.д. Процесс не оборвётся в силу бесконечности А. Построенное счётное множество (возможно, совпадает с A).

Лемма 1.7. Любое бесконечное подмножество счётного множества счётно.

□ Пусть — счётное множество, В — бесконечное. Докажем, что В — счётно. Пусть Выберем первый из этих элементов, принадлежащий В: Из оставшихся номеров выберем первый такой, что принадлежит В; (ясно, что ). Из оставшихся номеров выберем первый такой, что принадлежит , и т.д. Каждый элемент В имеется среди , поэтому через конечное число шагов он будет обозначен: Таким образом, все элементы В занумерованы, и В — счётно.

Лемма 1.8. Сумма конечного и счётного множеств, двух счётных множеств — счётна.

□ Напомним, что в теории множеств разностью множеств В \ А называется множество тех и только тех элементов, которые принадлежат В, но не принадлежат А (на диаграмме Эйлера заштрихована разность В \ А — см. рис. 1.4).

Из рис. 1.4 очевидны равенства

причём множества, объединяемые в правых частях этих равенств, имеют пустые пересечения.

1) Пусть А — счётно, В — конечно.

Если — также конечно (а может быть, и пусто), то — счётное множество.

2) Пусть А и В счётны. Если В \ А конечно, то доказательство проходит, как в первом случае. Если В \ А бесконечно, т.е. счётно, то В \ А = и — счётное множество. ■

Теорема 1.7. Множество рациональных чисел Q счётно.

□ Достаточно доказать, что счётно множество положительных рациональных чисел Q+, так как в этом случае множество отрицательных рациональных чисел, эквивалентное ему , также счётно, и вместе с единственным числом <0>по лемме 1.8 они все в сумме образуют счётное множество. Занумеруем Q+ следующим образом (см. рис. 1.5):

Занумерованы все положительные рациональные числа, причём каждое число встречается много раз и т.д.). Таким образом, Q+ — бесконечное подмножество счётного множества. Значит, оно счётно. ■

Следствие. Множество целых чисел Z счётно (принадлежит Q).

Теорема 1.8. Множество действительных чисел К несчётно (т.е. действительных чисел «значительно больше», чем рациональных).

□ Достаточно доказать, что несчётным является множество действительных чисел полуинтервала [0; 1) (если R — счётно, то [0; 1) — также счётно). Предположим, удалось занумеровать все числа

Выпишем десятичные представления этих чисел:

при этом конечная десятичная дробь записывается с нулями, начиная с некоторого номера (а не с девятками).

Рассмотрим число такое, что (это число существует по теореме 1.6). Такого числа нет среди хотя . Получили противоречие тому, что все числа [0; 1) удалось занумеровать. ■

Следствие 1. Множество иррациональных чисел несчётно (иначе вместе с Q получилось бы счётное множество R).

Следствие 2. Множество чисел любого конечного интервала несчётно.

□ Множество (0; 1) несчётно, так как иначе при добавлении одной точки 0 получилось бы счётное множество [0; 1).

Несчётность произвольного интервала (а;b) следует из того, что между (0; 1) и (a: b) можно установить взаимно однозначное соответствие по формуле

Замечание к главе I. При помощи сечений были определены лишь арифметические операции с действительными числами. Развивая этот метод, можно определить арифметический корень n-й степени из положительного действительного числа, степень положительного числа с произвольным действительным показателем, логарифмы и другие элементарные функции, известные из школьного курса алгебры. Но если этим вопросам уделить внимание в лекционном курсе математического анализа, то возникнет нехватка времени для изложения последующих очень существенных глав.

Представляется удобным и разумным пойти путём наименьшего сопротивления — не вводить пока эти элементарные функции, ограничившись в главах II и III (теория пределов последовательностей и функций) арифметическими свойствами действительных чисел. И только в главе III, после изучения свойств непрерывных функций, ввести корень n-й степени как обратную функцию к х n на соответствующем промежутке, аккуратно определить степень с действительным показателем, логарифм как обратную функцию и т.д. Этот путь имеет один недостаток — обедняется практическая сторона курса, при решении иллюстрирующих примеров приходится ограничиваться арифметическими операциями. Конечно, на практических занятиях следует решать примеры с корнями, логарифмами, тригонометрическими функциями и т.д., но при этом понимать, что всё, выходящее за рамки арифметики, пока является «незаконным» и чисто иллюстративным.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник